Калориметры Большого Адронного Коллайдера
статья по физике по теме

                                Калориметры Большого Адронного Коллайдера.

Детекторы  Большого Адронного Коллайдера должны определять заряд , массу , скорость и энергию частиц. Детекторы многослойные ,первым слоем идут трековые детекторы.  Они должны моло поглощать , чтобы не исказить сведения о траектории частицы. Калориметры наоборот , должны поглотить как можно больше энергии , чтобы правильно ее измерить. Поэтому калориметры расположены после трековых детекторов. Калориметры в обоих детекторах двойные - сначала идет электромагнитный ( его задача – определить энергию электронов и фотонов ), а затем внешний , адронный калориметр ( в нем определяется энергия адронов ). Принцип действия обоих типов калориметров следующий :  на пути частиц ставят толстые слои плотного вещества (обычно тяжелого металла — свинца, железа, латуни) перемежающиеся веществом сцинтиллятора. Частица в плотном веществе  сталкивается с электронами или ядрами атомов и порождает в результате поток вторичных части – ливень.  Ливень застревает в толще вещества, его частицы поглощаются  и некоторая доля энергии выделяется в виде света. Эта вспышка света собирается на торцах калориметра фотоумножителями , которые превращают ее в электрический импульс. Электроны и фотоны, проходя через вещество, сталкиваются в основном с электронными оболочками атомов и порождают электромагнитный ливень — поток из большого числа электронов, позитронов и фотонов. Такие ливни быстро развиваются на небольшой глубине и обычно поглощаются в слое вещества толщиной несколько десятков сантиметров. Высокоэнергетические адроны (протоны, нейтроны, пи-мезоны и К-мезоны) теряют энергию преимущественно за счет столкновений с ядрами. При этом порождается адронный ливень, который проникает гораздо глубже в толщу вещества, чем электромагнитный, и к тому же он более широкий. Поэтому для того, чтобы полностью поглотить адронный ливень от частицы очень высокой энергии, требуется один-два метра вещества. Различие характеристик электромагнитных и  адронных ливней  позволяет разделить информацию о них . Поэтому  калориметры и  делают двойными - внутри расположены электромагнитные калориметры , в которых поглощаются преимущественно электромагнитные ливни, а снаружи – адронные калориметры , до которых «достают» только адронные ливни. Таким образом, калориметры не только измеряют энергию, но и определяют «тип энергии» — является ли она электромагнитного или адронного происхождения. Это очень важно для правильного понимания того , что произошло  в центре детектора при столкновении протонов.

Для регистрации ливня оптическим способом вещество калориметра должно обладать сцинтилляционными свойствами. В сцинтилляторе фотоны одной длины волны поглощаются очень эффективно, приводя к возбуждению молекул вещества, и это возбуждение снимается  за счет испускания фотонов более низкой энергии. Для излученных фотонов сцинтиллятор уже прозрачен, и поэтому они могут долететь до края калориметрической ячейки. В калориметрах используются стандартные, давно изученные сцинтилляторы, для которых хорошо известно, какая часть от энергии исходной частицы превращается в оптическую вспышку.

Для эффективного поглощения ливней требуется использовать как можно более плотное вещество. Имеется два способа, как совместить это требование с требованиями к сцинтилляторам. Во-первых, можно выбрать очень тяжелые прозрачные сцинтилляторы и заполнить ими калориметр. Во-вторых, можно сделать «слойку» из чередующихся пластин тяжелого вещества и легкого сцинтиллятора. Имеются и более экзотические варианты устройства калориметров, например «спагетти» - калориметры, в которых в матрицу из массивного поглотителя внедрено множество тонких кварцевых оптоволокон. Ливень, развиваясь вдоль такого калориметра, создает в кварце черенковское излучение, которое выводится по оптоволокнам на торец калориметра.

Точность восстановления энергии частицы в калориметре улучшается с ростом энергии. Для частиц с энергиями в сотни ГэВ погрешность составляет порядка процента для электромагнитных калориметров и несколько процентов — для адронных.